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摘 要
腦性癱瘓（簡(jiǎn)稱(chēng)腦癱），是小兒時(shí)期常見(jiàn)的中樞神經(jīng)障礙綜合癥，病變部位在腦、肋及四肢， 主要表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)障礙和姿勢(shì)異常 ，且常伴有智力缺陷、癲癇、行為異常、精神障礙及視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、語(yǔ)言障礙等癥狀。據(jù)世界衛(wèi)生組織權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析：全球腦癱患兒超過(guò)1000萬(wàn)，兒童腦癱發(fā)病率達(dá)2.7‰，而四肢畸形、癱瘓、痙攣是其主要癥狀。
我國(guó)現(xiàn)有腦癱患兒500多萬(wàn)，發(fā)病率為1.2‰～2.7‰，每年新增腦癱患兒3-5萬(wàn)，位居世界前列。目前我國(guó)市場(chǎng)上主要的四肢康復(fù)儀器存在的問(wèn)題有運(yùn)動(dòng)功能少、人工輔助成分大、且價(jià)格昂貴。本文通過(guò)對(duì)腦癱患病機(jī)理、腦癱病情、現(xiàn)有治療手段和影響康復(fù)因素等的調(diào)查研究，提出了一套融合多種康復(fù)鍛煉于一體的設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行了理論分析和詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)運(yùn)用Solidworks等軟件繪制了實(shí)體，并繪制了相應(yīng)工程圖。通過(guò)理論計(jì)算，為生產(chǎn)該設(shè)備提供了較為完整的資料。通過(guò)對(duì)各重要零部件的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，各重要零部件皆能夠滿(mǎn)足工作要求。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、調(diào)試，此設(shè)備達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，完全能夠?qū)崿F(xiàn)輔助站立訓(xùn)練、輔助行走訓(xùn)練和模擬進(jìn)食訓(xùn)練。
本文方案運(yùn)用氣動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)力源，采用模塊化設(shè)計(jì)，模擬人的各種動(dòng)作，達(dá)到了康復(fù)鍛煉的目的。它是集多種功能于一體，拆卸運(yùn)輸方便，可滿(mǎn)足不同的患者各患病部位使用需求的一款新型醫(yī)療器械，填補(bǔ)了我國(guó)在腦癱運(yùn)動(dòng)康復(fù)醫(yī)療器械上的空白，在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：腦癱 ；康復(fù)治療椅 ；模塊化設(shè)計(jì) ；站立 ；行走 ；進(jìn)食
Abstracts
Cerebral palsy (CP) is a common central nervous system disorder syndrome during childhood, which is caused by damage to the motor control centers of the developing brain and can result in activity limitation of the four limbs. The main symptoms include seizures, epilepsy, apraxia, dysarthria or other communication disorders, sensory impairments, mental retardation, and behavioral disorders. According to the analysis of the World Health Organization, the number of the children with CP is over 10 million, and the incident rate is as high as 2.7%.
There are more than 5 million children with CP in China ranked in the first place, and each year the number increases by 30,000 to 40,000. Nowadays the main problem of the four limps rehabilitation equipment in domestic market includes little motor function, much mechanical assistance, and the high price. After the investigation on pathogenesis of CP, patients' condition, treatment and factors affecting the therapy, we propose a designing program which combines all the exercise for rehabilitation. Meanwhile we use Solidworks to draw the three-dimensional solid modeling of renderings and the related engineering drawings, and we also do the theoretical calculations and analyze data with CAE, all of which can provide complete data for the produce of the equipment. Furthermore all the intensity and stiffness of central parts of the equipment are check carefully and they work well. Through trail and error, this equipment meet the designing requirement and totally can assist patients standing, working, and eating.
It was first put forward to use cylinder as the force and modular design and to imitate all kinds of movement of human to achieve the goal of exercise. Combined with many functions this equipment can apply for any kind of patients and is easy to disassemble, so it has a broad prospects in medical field.
Key words:cerebral palsy ；CP rehabilitation chair；modular design；assist standing； walking；eating
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目 錄
第一章緒論 1
1.1項(xiàng)目背景 1
1.2發(fā)病原因 1
1.3臨床表現(xiàn) 2
1.4國(guó)內(nèi)外治療方法現(xiàn)狀 2
1.4.1 物理療法 2
1.4.2 心理療法 4
1.4.3 康復(fù)訓(xùn)練 5
1.5國(guó)內(nèi)外儀器的現(xiàn)狀及展望 5
第二章腦癱兒醫(yī)療康復(fù)椅的設(shè)計(jì)方案 8
2.1設(shè)計(jì)構(gòu)想 8
2.2設(shè)計(jì)依據(jù)與指標(biāo) 8
2.2.1設(shè)計(jì)依據(jù) 8
2.2.2總體設(shè)計(jì)指標(biāo) 8
2.3基本結(jié)構(gòu)功能組成 9
2.4康復(fù)椅方案設(shè)計(jì) 9
2.4.1站立單元方案設(shè)計(jì) 10
2.4.2輔助行走方案設(shè)計(jì) 11
2.4.3進(jìn)食訓(xùn)練單元方案設(shè)計(jì) 12
2.4.4桌面單元方案設(shè)計(jì) 12
第三章康復(fù)椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3.1輔助站立單元機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13
3.2輔助行走單元機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14
3.3輔助進(jìn)食單元機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14
3.4危險(xiǎn)零部件的強(qiáng)度校核 16
3.4.1旋轉(zhuǎn)氣馬達(dá)短軸 16
3.4.2銷(xiāo)釘?shù)男：?17
3.4.3氣缸1固定腳鏈螺栓的校核 18
3.4.4底座旋轉(zhuǎn)桿螺栓組的校核 21
第四章氣壓缸的設(shè)計(jì) 23
4.1 動(dòng)力源確定 23
4.2 氣壓系統(tǒng)圖 23
4.3 氣壓系統(tǒng)參數(shù) 24
4.4氣壓系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)計(jì)算 24
4.4.1氣壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸 24
4.4.2活塞缸的直徑 24
4.4.3氣壓缸活塞寬度B 24
4.4.4導(dǎo)向套長(zhǎng)度C 25
4.4.5氣壓缸缸筒壁厚 25
4.4.6活塞行程 25
第五章康復(fù)椅的結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn) 26
5.1結(jié)論 26
5.2創(chuàng)新點(diǎn) 27
致謝 28
參考文獻(xiàn) 29
第一章緒論
1.1項(xiàng)目背景
腦性癱瘓( cerebral palsy，CP) 簡(jiǎn)稱(chēng)腦癱，是指自受孕開(kāi)始至嬰兒期非進(jìn)行性腦損傷和發(fā)育缺陷所導(dǎo)致的綜合癥，主要表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)障礙及姿勢(shì)異常，是以運(yùn)動(dòng)功能障礙為主的致殘性疾病。由于新生兒急救醫(yī)學(xué)的發(fā)展，早產(chǎn)兒、低出生體質(zhì)量?jī)撼苫盥实奶岣撸鐣?huì)、環(huán)境等因素，多年來(lái)世界范圍內(nèi)腦癱發(fā)病率和患病率沒(méi)有明顯的下降趨勢(shì)。由于病因復(fù)雜、發(fā)病機(jī)制復(fù)雜、臨床表現(xiàn)多樣、可能伴有多種并發(fā)癥等，使腦癱的預(yù)防與康復(fù)治療成為世界性難題。
圖1-1小兒腦癱癥狀
國(guó)際衛(wèi)生組織報(bào)道世界范圍內(nèi)腦癱的發(fā)病率為1.2‰-2.7‰，而我國(guó)發(fā)病率為1.8‰～4.0‰，我國(guó)現(xiàn)有腦癱患兒500-600萬(wàn)，且發(fā)病率呈上升趨勢(shì)。據(jù)調(diào)查顯示：一般6歲之前腦癱兒的治療需要大量費(fèi)用（每年費(fèi)用為10余萬(wàn)元）；在6歲之后的康復(fù)費(fèi)用、藥物支撐會(huì)相對(duì)少一些，但仍需要大量資金，腦癱不但給患兒家庭帶來(lái)沉重的生活負(fù)擔(dān)，也給社會(huì)造成了極大的壓力。該病的防治、康復(fù)不但涉及患兒生活質(zhì)量、家庭幸福還關(guān)系到民族素質(zhì)及社會(huì)和諧發(fā)展。為此，腦癱已引起多學(xué)科的高度關(guān)注。
1.2發(fā)病原因
引起腦癱的原因很多，但找不到原因者可能達(dá)1/3以上。有時(shí)一些病例也可能存在多種因素。
產(chǎn)前因素最常見(jiàn)，包括遺傳和染色體疾病、先天性感染、腦發(fā)育畸形或發(fā)育不良、胎兒腦缺血缺氧致腦室周?chē)踪|(zhì)軟化或基底節(jié)受損等。圍產(chǎn)因素指發(fā)生在分娩開(kāi)始到生后一周內(nèi)的腦損傷，包括腦水腫、新生兒休克、腦內(nèi)出血、敗血癥或中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染、缺血缺氧性腦病等。圍產(chǎn)因素可能是引起早產(chǎn)兒腦癱的重要原因。晚期新生兒以后的因素包括從1周至3或4歲間發(fā)生的中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染、腦血管病、頭顱外傷、中毒等各種引起的非進(jìn)行性腦損傷的病因。
早產(chǎn)和宮內(nèi)發(fā)育遲緩雖然不是腦癱的直接原因，但它們是腦癱的重要的高危因素。母親宮內(nèi)炎癥或絨毛膜羊膜炎，作為一項(xiàng)潛在的危險(xiǎn)因素已經(jīng)越來(lái)越被引起重視。
1.3臨床表現(xiàn)
腦癱的癥狀在嬰兒期表現(xiàn)，常以異常姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)發(fā)育落后為主訴。雖然患兒的腦損害或者腦發(fā)育異常是非進(jìn)展性的，隨著腦損傷的修復(fù)和發(fā)育過(guò)程，其臨床表現(xiàn)常有改變。如嚴(yán)重新生兒缺血缺氧性腦病，在嬰兒早期常表現(xiàn)為肌張力低下，以后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧埩υ龈?。平衡功能障礙需嬰兒發(fā)育到坐甚至站立時(shí)才能表現(xiàn)出來(lái)。關(guān)節(jié)攣縮和脊柱畸形等繼發(fā)改變也是逐漸發(fā)展出來(lái)的。可以伴有癲癇、智力低下、感覺(jué)障礙、行為障礙等。這些伴隨疾病有時(shí)也可能成為腦癱兒童的主要?dú)埣病?
臨床上根據(jù)運(yùn)動(dòng)障礙的性質(zhì)可分為痙攣型、不隨意運(yùn)動(dòng)型、共濟(jì)失調(diào)型、肌張力低下型和混合型等，并根據(jù)受累的肢體分布，分為單癱、偏癱、雙癱、三肢癱和四肢癱等類(lèi)型。以下介紹常見(jiàn)的幾種特殊的臨床綜合征。
1.4國(guó)內(nèi)外治療方法現(xiàn)狀
腦癱康復(fù)治療并不能達(dá)到治愈及完全正?；哪繕?biāo)，但可以通過(guò)醫(yī)療、教育、職業(yè)、社會(huì)等康復(fù)手段，使腦癱患兒在身體、心理、職業(yè)、社會(huì)等方面達(dá)到最大程度的趨于正常化。力求實(shí)現(xiàn)最佳功能和獨(dú)立性，提高其生活質(zhì)量，同其他公民一樣，享有平等的權(quán)力，參與分享社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展成果。
小兒腦癱康復(fù)治療屬于康復(fù)醫(yī)學(xué)范疇，因此要遵循康復(fù)醫(yī)學(xué)的規(guī)律并符合兒童生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)和需求，采取綜合康復(fù)治療的方法，根據(jù)每個(gè)患兒的情況而選擇和制訂康復(fù)治療方案。目前國(guó)內(nèi)外常用的小兒腦癱康復(fù)治療方法主要有以下幾種:
1.4.1 物理療法
物理療法( physical therapy，PT)簡(jiǎn)稱(chēng)為理療，是利用人工或自然界物理因素作用于人體，使之產(chǎn)生有利的反應(yīng)，達(dá)到預(yù)防和治療疾病目的的方法，是康復(fù)治療的重要內(nèi)容。
1)物理因子療法是指利用手法、光、電、聲、磁等物理因子作用于人體治療疾病的一種方法。
圖1-2針灸及物理因子治療
2)運(yùn)動(dòng)療法是通過(guò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)施的一種療法，目的在于改善殘存的運(yùn)動(dòng)功能，抑制不正常的姿勢(shì)反射，誘導(dǎo)正常的運(yùn)動(dòng)發(fā)育，以提高患兒的日常生活能力，它們涉及整個(gè)肌肉單元。在眾多運(yùn)動(dòng)療法中，具體的訓(xùn)練內(nèi)容主要有: 姿勢(shì)矯正訓(xùn)練、肢體和軀干促通訓(xùn)練、基本移動(dòng)動(dòng)作訓(xùn)練、平衡及步行訓(xùn)練、上下樓梯訓(xùn)練和過(guò)障礙訓(xùn)練、跑步訓(xùn)練等。
圖1-3 運(yùn)動(dòng)治療
3) 作業(yè)療法是應(yīng)用有目的的、經(jīng)過(guò)選擇的作業(yè)活動(dòng)，對(duì)身體、精神、發(fā)育有功能障礙或殘疾以致不同程度喪失生活自理能力和職業(yè)勞動(dòng)能力的患者進(jìn)行訓(xùn)練，使其生活、學(xué)習(xí)、勞動(dòng)能力得以恢復(fù)，幫助其重返社會(huì)的一種治療方法。其包括姿勢(shì)控制的發(fā)育、手功能的發(fā)育、移動(dòng)、心理和情感、進(jìn)食和口運(yùn)動(dòng)功能、自理和獨(dú)立性、游戲、書(shū)寫(xiě)技巧、家長(zhǎng)指導(dǎo)等方面。
圖1-4醫(yī)師輔助矯正治療
1.4.2 心理療法
1) 心理治療是指通過(guò)師生日常的接觸及各種教育訓(xùn)練活動(dòng)，減少或消除腦癱兒童的心理障礙，調(diào)整與人的關(guān)系，恢復(fù)和形成學(xué)前腦癱兒童正常的心態(tài)和人格。所以，在康復(fù)訓(xùn)練中盡可能多地提供成功的體驗(yàn)，及時(shí)給予表?yè)P(yáng)和鼓勵(lì)，用成功的體驗(yàn)來(lái)幫助他們樹(shù)立自信，對(duì)他們因能力而造成的失誤從不批評(píng)，對(duì)他們遇到的任何困難都給予極大的關(guān)懷和幫助，教師用比父母更多的愛(ài)逐漸打開(kāi)他們封閉的心靈，使他們能接納他人，愿意與他人交往和游戲，也愿意接受教師施予的康復(fù)訓(xùn)練措施，也為他們?nèi)谌肷鐣?huì)群體打下了基礎(chǔ)。
圖1-5 心理治理
2) 引導(dǎo)式教育療法引導(dǎo)式教育療法( con＆lctive education，CE)又稱(chēng)Peto法，是國(guó)際公認(rèn)的治療小兒腦癱最有效的方法之一，其顯著特點(diǎn)是最大限度地引導(dǎo)調(diào)動(dòng)患兒自主運(yùn)動(dòng)的潛力，以?shī)蕵?lè)性和節(jié)律性意向激發(fā)患兒的興趣及參與意識(shí)。通過(guò)引導(dǎo)員不斷地給予科學(xué)的誘導(dǎo)技巧、意識(shí)供給或口令，讓患兒主動(dòng)地進(jìn)行訓(xùn)練，與科學(xué)的被動(dòng)訓(xùn)練相結(jié)合，可大大地提高康復(fù)效果；同時(shí)將運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言、理解、智力開(kāi)發(fā)、社會(huì)交往和行為矯正等有機(jī)地結(jié)合在一起，進(jìn)行全面的康復(fù)訓(xùn)練，使患兒在德、智、體、個(gè)性氣質(zhì)培養(yǎng)和行為塑造等方面得到全面的康復(fù)和發(fā)展。
圖1-6治療師對(duì)患者輔助引導(dǎo)治療
1.4.3康復(fù)訓(xùn)練
輔助器具及矯形器的應(yīng)用，腦癱兒童適時(shí)借助輔助器具和矯形器，以輔助、補(bǔ)救、減輕患兒的功能障礙。矯形器和各種輔助器材可以一種最小的輔助方式發(fā)揮出患兒最理想的功能潛力，包括運(yùn)動(dòng)功能( 坐、站、步行、上下臺(tái)階等) 和生活自理能力，也包括同樣接受教育、追求合適的職業(yè)和生活自立等。輔助器具有前/后助行器、輪椅、站立架、防灑碗、可調(diào)夾持柄餐具、常用的矯形器有足托( 踝足矯形器－ AFO) 等。
綜上所述，腦癱是小兒神經(jīng)系統(tǒng)的常見(jiàn)病之一，也是兒童肢體致殘的最主要疾病之一。目前為止，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)一種治愈腦癱的特效藥，采用綜合康復(fù)治療方法是治療腦癱的較好方法，對(duì)于減輕腦癱兒童運(yùn)動(dòng)功能障礙、縮短療程、減輕社會(huì)和家庭負(fù)擔(dān)也有著積極意義。在具體的治療方法上，應(yīng)因人、因病而異，制訂出個(gè)性化的治療方法。
從先天來(lái)看，目前的醫(yī)學(xué)水平避免不了腦癱兒的出生，但是，在后天上，通過(guò)康復(fù)訓(xùn)練讓腦癱兒及其家庭不陷入充滿(mǎn)無(wú)力感的絕境中卻是切切實(shí)實(shí)可以做到的。
目前醫(yī)學(xué)界通常以手術(shù)和康復(fù)訓(xùn)練兩種方法治療腦癱，但手術(shù)治療成本高、創(chuàng)傷大、并發(fā)癥多，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。相比而言康復(fù)訓(xùn)練較為保守可靠，故而康復(fù)訓(xùn)練成為腦癱兒康復(fù)治療的最主要的手段之一。
1.5國(guó)內(nèi)外儀器的現(xiàn)狀及展望
自19世紀(jì)40年代，英國(guó)矯形外科學(xué)專(zhuān)家John Little首先研究CP，至今百余年來(lái)已經(jīng)形成和發(fā)展了許多治療體系，但臨床實(shí)踐證明尚無(wú)一種十分完善的體系;在國(guó)內(nèi)對(duì)于小兒腦癱主要是早發(fā)現(xiàn)早治療，充分發(fā)揮祖國(guó)醫(yī)學(xué)低成本高效率的優(yōu)勢(shì)。并且現(xiàn)在大多兒童福利機(jī)構(gòu)已建立了一套以?xún)?yōu)化后的中醫(yī)中藥針灸治療為基礎(chǔ)綜合性腦癱治療模式，而康復(fù)器械的發(fā)展卻有些緩慢，因而設(shè)計(jì)一套多功能，全方位的腦癱患兒康復(fù)器械顯得尤為重要。
目前，為有效的促進(jìn)腦癱兒的康復(fù)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家都積極的研究針對(duì)其治療的康復(fù)訓(xùn)練儀器，但現(xiàn)今市場(chǎng)上現(xiàn)在有的康復(fù)器械運(yùn)動(dòng)效果較為單一且體積龐大，價(jià)格昂貴。很多康復(fù)器械設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡不符合人們運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)肢體運(yùn)動(dòng)的軌跡，動(dòng)作過(guò)于生硬。使在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中患兒因很難較好地適應(yīng)設(shè)備，而產(chǎn)生較大的抵觸心里，不能積極配合治療。而且現(xiàn)有器械大部分自動(dòng)化程度不高，人工輔助成分大，很多時(shí)候需要一個(gè)醫(yī)護(hù)人員在旁邊進(jìn)行一對(duì)一的陪護(hù)治療，這樣極大的增加了康復(fù)治療的成本。因此我團(tuán)隊(duì)針對(duì)以上問(wèn)題，旨在設(shè)計(jì)一款康復(fù)醫(yī)療器械用于腦癱患兒的康復(fù)訓(xùn)練，緩解家庭的壓力。
圖1-7 國(guó)內(nèi)外主要產(chǎn)品
圖1-7為國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的主要康復(fù)器材，共同的優(yōu)點(diǎn)都是可以方便患者的日常活動(dòng)：但都存在致命的缺點(diǎn)，你能幫助患者進(jìn)行康復(fù)型訓(xùn)練；而且它們大多價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，不適合腦癱患者在最佳康復(fù)階段（4—12歲）進(jìn)行自主操作。
第二章腦癱兒醫(yī)療康復(fù)椅的設(shè)計(jì)方案
2.1設(shè)計(jì)構(gòu)想
本方案的主要設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容是研發(fā)一種能夠幫助腦癱、偏癱患兒進(jìn)行身體四肢機(jī)能康復(fù)醫(yī)療運(yùn)動(dòng)的器械，由于病人身體神經(jīng)系統(tǒng)全部或部分癱瘓，身體長(zhǎng)期不能活動(dòng)而導(dǎo)致身體肌肉發(fā)生萎縮，其進(jìn)一步惡化會(huì)使病人永久性的喪失運(yùn)動(dòng)能力，所以需要在其失去活動(dòng)能力之前，通過(guò)醫(yī)療器械對(duì)患者身體其各需要部位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，從而緩解患者肌肉萎縮，在一定程度上達(dá)到的康復(fù)效果；當(dāng)病人身體能夠輕微自理時(shí)，可以將儀器轉(zhuǎn)化為病人加強(qiáng)康復(fù)鍛煉的工具從而進(jìn)行進(jìn)一步的康復(fù)訓(xùn)練。器械采用模塊化設(shè)計(jì)，能在較大程度上實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，從而降低成本，減輕腦癱患兒家庭的生活壓力。
通過(guò)對(duì)吉林市各大醫(yī)院、腦癱康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)及腦癱患兒家庭走訪(fǎng)，相關(guān)醫(yī)學(xué)資料的查閱，及對(duì)現(xiàn)有的各種醫(yī)療產(chǎn)品的調(diào)研分析，我組對(duì)各類(lèi)患兒數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致分析，歸類(lèi)整合。在結(jié)合患兒的實(shí)際需要，了解了不同患兒的基本特征和各項(xiàng)參數(shù)后最終我們確定了包含輔助站立，輔助行走，以及進(jìn)食訓(xùn)練等基本康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)的康復(fù)治療器械。
2.2設(shè)計(jì)依據(jù)與指標(biāo)
2.2.1設(shè)計(jì)依據(jù)
腦癱患兒作為特殊人群，其本身就是病痛的受害者，在遭受病痛折磨的同時(shí)，給家庭和社會(huì)都帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。依據(jù)現(xiàn)代循證醫(yī)學(xué)(Evidence Based Medicine，簡(jiǎn)稱(chēng) EBM)和連續(xù)被動(dòng)理論(Contin-uousPassive Motion，簡(jiǎn)稱(chēng) CPM)，對(duì)患者進(jìn)行連續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，有利于患兒基本運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)。設(shè)計(jì)一款能夠模擬正常人運(yùn)動(dòng)且功能齊全具的四肢康復(fù)醫(yī)療器械，帶動(dòng)患兒進(jìn)行四肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)。這恰好符合連續(xù)被動(dòng)理論康復(fù)機(jī)理。
2.2.2總體設(shè)計(jì)指標(biāo)
面對(duì)日益增長(zhǎng)的腦癱患兒以及患兒所帶來(lái)的日益沉重的家庭和社會(huì)壓力，腦癱患兒遭受的巨大痛苦，充分考慮患兒實(shí)際康復(fù)訓(xùn)練需求，結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的康復(fù)椅應(yīng)滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)指標(biāo)：
1) 整體尺寸適中，結(jié)構(gòu)緊湊，便于移動(dòng)，適合家庭使用；
2) 功能齊全，模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)的患兒的不同需求選擇不同的模塊進(jìn)
行組裝；
3) 操作簡(jiǎn)單，易于控制，具有自動(dòng)化功能；
4)工作穩(wěn)定，傳動(dòng)平穩(wěn)、安全可靠。
2.3基本結(jié)構(gòu)功能組成
我們研制的腦癱兒康復(fù)椅整體結(jié)構(gòu)按照功能進(jìn)行分解，由以下幾個(gè)部分組成：
1) 腦癱兒康復(fù)椅框架
本方案設(shè)計(jì)的整體框架為一矩形底盤(pán)和座椅組成，矩形底盤(pán)設(shè)計(jì)降低了康復(fù)椅的重心，矩形地盤(pán)設(shè)計(jì)的面積略大，以保證各個(gè)單元進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)腦癱兒以及康復(fù)椅的重心始終落在底盤(pán)區(qū)域內(nèi)，防止發(fā)生側(cè)翻。座椅要為其他單元的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的依托，也是站立單元過(guò)的重要組成部分。
2) 輔助站立單元
輔助站立單元采用氣缸提供動(dòng)力，通過(guò)氣缸推動(dòng)座椅實(shí)現(xiàn)站立，整個(gè)過(guò)程充分模仿人站立的過(guò)程。在此過(guò)程使患兒隨著康復(fù)椅運(yùn)動(dòng)，對(duì)腿和腰部肌肉及膝關(guān)節(jié)，進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
3) 輔助行走單元
輔助行走單元采用氣馬達(dá)提供動(dòng)力，通過(guò)氣馬達(dá)帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)模擬人行進(jìn)過(guò)程，踏板部位依照患兒的個(gè)體特點(diǎn)可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，在此訓(xùn)練過(guò)程中，患兒的腿部肌肉及髖關(guān)節(jié)得到進(jìn)一步鍛煉，同時(shí)腳部肌肉及踝關(guān)節(jié)也能得到康復(fù)訓(xùn)練。
4) 輔助進(jìn)食單元
輔助進(jìn)食單元，由兩個(gè)氣缸順序運(yùn)動(dòng)。把正常人進(jìn)食的動(dòng)作進(jìn)行分解，通過(guò)氣缸伸縮模擬正常人吃飯時(shí)的動(dòng)作，在此過(guò)程中患兒的手臂肌肉及肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等部位得到鍛煉。
5) 桌面單元
桌面單元是控制單元，也是其他單元運(yùn)動(dòng)的輔助部分，在坐時(shí)桌面可以向身體一側(cè)拉伸，在站立后桌面還能臺(tái)高，用于放置手臂；上面桌面設(shè)有游戲模塊，同時(shí)也可擺放一些康復(fù)玩具和學(xué)習(xí)工具，增加趣味性和實(shí)用性，患兒能更加積極的配合治療。
2.4康復(fù)椅方案設(shè)計(jì)
我們提出的康復(fù)椅總體設(shè)計(jì)方案如圖2-2所示。它主要由輔助站立、輔助行走以及進(jìn)食訓(xùn)練三大部分組成。
由于腦癱患兒長(zhǎng)期無(wú)法得到鍛煉，身體各部分肌肉會(huì)有不同程度的萎縮，如果強(qiáng)行受力會(huì)對(duì)患兒造成極大的大傷害。因此患兒的支撐受力是用柔性帶把患兒胸部柔性地固定在靠背上，這種設(shè)計(jì)不僅減輕了患兒下肢的受力，而且在固定上肢的同時(shí)對(duì)上肢軀干起到矯姿塑形的作用。
椅子座板用雙搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翻折伸起，通過(guò)氣缸推動(dòng)搖桿，帶動(dòng)座椅運(yùn)動(dòng)，模仿人由坐到站的過(guò)程，患兒進(jìn)行連續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的鍛煉，在鍛煉的過(guò)程中對(duì)下肢肌肉起到一定的拉伸作用。通過(guò)往復(fù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)肌肉的伸縮，喚醒肌肉的活性。在站起之后，推動(dòng)站立氣缸鎖死，可由患兒自主地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制（腦癱患兒手指可以自主做簡(jiǎn)單動(dòng)作），行走單元進(jìn)行行走康復(fù)訓(xùn)練。行走單元采用氣馬
圖2-2 腦癱兒四肢康復(fù)醫(yī)療椅方案示意圖
達(dá)帶動(dòng)，可保證傳動(dòng)平穩(wěn)性，以及特殊情況下緊急制動(dòng),氣馬達(dá)可以無(wú)級(jí)調(diào)速，控制壓縮空氣的流量，就能調(diào)節(jié)馬達(dá)的輸出功率和轉(zhuǎn)速，從而根據(jù)患兒的需要進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。氣動(dòng)馬達(dá)有很好的過(guò)載保護(hù)作用，不會(huì)因過(guò)載強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)而發(fā)生故障。行走單元為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能極大程度地模仿人的行走過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。
當(dāng)行走完成后，控制站立單元汽缸緩慢收縮坐下。坐下后，控制進(jìn)食訓(xùn)練單元，進(jìn)食單元開(kāi)啟，通過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)單連續(xù)運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬人進(jìn)食動(dòng)作。把動(dòng)作分解是考慮到患兒初期康復(fù)身體肌肉不能直接硬性進(jìn)行大幅度的拉伸，難以適應(yīng)復(fù)雜的訓(xùn)練動(dòng)作，打擊患兒的康復(fù)信心，該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)以及手臂各部分肌肉的康復(fù)訓(xùn)練。通過(guò)本儀器可對(duì)四肢大部分關(guān)節(jié)、肌肉進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)，從而改善患兒肌體，緩解痙攣，通過(guò)連續(xù)被動(dòng)訓(xùn)練達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。
2.4.1站立單元方案設(shè)計(jì)
站立單元采用氣缸提供動(dòng)力，傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，在靠背處設(shè)計(jì)軟帶和護(hù)肩固定在胸部、肩部。由坐到站的訓(xùn)練過(guò)程中提供一定的拉力，減小腿部受力，防止站立時(shí)扭傷造成傷害。利用上半身產(chǎn)生牽引力，以及座板對(duì)大腿部提供前上方向的力。整個(gè)過(guò)程充分模仿人站立的過(guò)程。由上下身的協(xié)作，增強(qiáng)患兒的協(xié)調(diào)性，為患兒康復(fù)后能夠獨(dú)立行走做準(zhǔn)備,座椅靠背上的支撐護(hù)肩可調(diào)節(jié)其距離大小，坐時(shí)夾持患兒身體，與柔性帶結(jié)合，起矯姿塑形的作用，在站立時(shí)支撐護(hù)肩可以起到支撐保護(hù)的作用，支撐護(hù)肩在反轉(zhuǎn)時(shí)可做椅子把手，用于推動(dòng)椅子前行；護(hù)肩還可上下調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同年齡和身材的患兒。具體結(jié)構(gòu)可參照?qǐng)D2-3。
圖2-3 輔助站立單元結(jié)構(gòu)示意圖
2.4.2輔助行走方案設(shè)計(jì)
輔助行走單元，運(yùn)用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)模擬人行走過(guò)程，（具體結(jié)構(gòu)可參照?qǐng)D2-4）以氣動(dòng)馬達(dá)為動(dòng)力源，其傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，行走單元采用無(wú)線(xiàn)遙控，可根據(jù)患兒的康復(fù)情況進(jìn)行步速調(diào)節(jié)，腳的踏板部位可沿?fù)u桿前后移動(dòng)，依照患兒的個(gè)體特點(diǎn)可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以便康復(fù)訓(xùn)練時(shí)給患兒更加舒適體驗(yàn)。
由于患兒長(zhǎng)期不能站立行走，腳部常常出現(xiàn)輕微的畸形，在站立時(shí)不能全腳掌著地，初期康復(fù)訓(xùn)練時(shí)如果強(qiáng)行固定，會(huì)對(duì)患兒造成一定的傷害，更甚者會(huì)使患兒扭傷。因此我們對(duì)踏板進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。踏板采用四個(gè)彈簧和一個(gè)球幅組成的自平衡機(jī)構(gòu)和一個(gè)小腿護(hù)具組成。在進(jìn)行行走訓(xùn)練時(shí)自平衡機(jī)構(gòu)能夠自主進(jìn)行位置矯正，小腿護(hù)具能對(duì)患兒行走的姿態(tài)進(jìn)行矯正?？祻?fù)訓(xùn)練與姿態(tài)矯正同步協(xié)作，達(dá)到更好的康復(fù)效果。
圖2-4 輔助行走單元結(jié)構(gòu)示意圖 圖2-5可調(diào)節(jié)踏板結(jié)構(gòu)示意圖
2.4.3進(jìn)食訓(xùn)練單元方案設(shè)計(jì)
圖2-6 輔助進(jìn)食單元結(jié)構(gòu)圖
患兒身體長(zhǎng)期處于半癱瘓狀態(tài)，患兒的肌體功能減退，生活很難自理，因此上肢的恢復(fù)訓(xùn)練尤為重要。本方案設(shè)計(jì)的進(jìn)食訓(xùn)練單元可輔助患兒上肢運(yùn)動(dòng)，模擬正常人吃飯時(shí)的動(dòng)作把正常人進(jìn)食的動(dòng)作進(jìn)行分解，先有氣缸伸縮實(shí)現(xiàn)小臂的水平運(yùn)動(dòng)，然后護(hù)具尾端向下運(yùn)動(dòng)使小臂前端向上升起（結(jié)構(gòu)如圖2-7所示）。
將動(dòng)作分解進(jìn)行訓(xùn)練不僅簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)，另一方面能夠?qū)Ω玫腻憻捀鞑糠株P(guān)節(jié)。首先小手臂護(hù)具帶動(dòng)手臂平動(dòng)，很好地活動(dòng)了肘關(guān)節(jié)。由于患兒胸部固定，在平動(dòng)過(guò)程中，肩膀會(huì)隨著小臂的帶動(dòng)而小幅度的扭轉(zhuǎn)，上臂也伴隨著運(yùn)動(dòng)，因此上臂的肌肉也能得到康復(fù)訓(xùn)練。在小臂抬升的過(guò)程中，小臂隨著護(hù)具運(yùn)動(dòng)，肘部向下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)上臂、肩部。實(shí)現(xiàn)對(duì)上臂的康復(fù)訓(xùn)練。腕部被抬起，肘關(guān)節(jié)以及上臂肌肉進(jìn)行二次康復(fù)訓(xùn)練。
2.4.4桌面單元方案設(shè)計(jì)
桌面單元為可上下前后移動(dòng)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)能很好的滿(mǎn)足患兒在坐或站時(shí)對(duì)桌面的需求，桌面上外加控制面板，由患兒遙控實(shí)現(xiàn)可對(duì)整個(gè)器械進(jìn)行控制，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示在面板上。如控制站立、坐下、行走時(shí)的步速等。同時(shí)還設(shè)有游戲模塊，患兒可進(jìn)行簡(jiǎn)單的益智游戲，增加了趣味性?；純阂材軌蚋臃e極的配合治療。在患兒進(jìn)食時(shí)可以當(dāng)作桌子使用。患兒可以直接在康復(fù)椅上進(jìn)食。減少了患兒的固定次數(shù)。避免因固定次數(shù)過(guò)多引起患兒的抵觸情緒。
第三章康復(fù)椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1輔助站立單元機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
本方案的輔助站立單元的設(shè)計(jì)充分考慮到腦癱兒四肢變形、不隨意動(dòng)的特點(diǎn)，給靠背加上護(hù)肩和護(hù)帶，在站立過(guò)程中起到提升和固定的作用，使得站立運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，安全可靠。
圖3-1 輔助站立結(jié)構(gòu)原理圖
輔助站立機(jī)構(gòu)采用平行四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)平行四邊形桿機(jī)構(gòu)來(lái)完成坐椅的翻轉(zhuǎn)和患兒的直立動(dòng)作。(具體軌跡請(qǐng)參考圖3-1)我們利用平行四邊形機(jī)構(gòu)兩對(duì)邊平行的原理將一邊進(jìn)行豎直固定，通過(guò)氣缸的推動(dòng)，帶動(dòng)座椅的翻轉(zhuǎn)，將靠背進(jìn)行豎直提升，在靠背上升的過(guò)程中通過(guò)護(hù)肩和護(hù)帶對(duì)患兒進(jìn)行豎直提升，進(jìn)而達(dá)到對(duì)患兒進(jìn)行輔助站立的目的，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示。
在坐立時(shí)，氣缸起到支撐椅子的作用，我們氣缸選用的行程為200mm，最大提夠推力為1000N，而3~7歲的小孩體重大概在10~25Kg左右所以由受力分析可知?dú)飧讖?qiáng)度可靠。護(hù)肩起到支撐患者身體的作用，最大可承受60kg的重量，本單元通過(guò)護(hù)肩支撐患者身體，來(lái)減少臀部和腰部受力，防止患者因長(zhǎng)時(shí)間坐立受壓而引起的胯部、脊椎的變形。
在站立過(guò)程中，通過(guò)兩個(gè)氣缸推動(dòng)雙四桿機(jī)構(gòu)到達(dá)極限外置時(shí)，坐墊和靠背的夾角是15度，能夠滿(mǎn)足站立患者進(jìn)行站立。在站立過(guò)程中，氣缸推動(dòng)的速度是1.5cm/s,坐墊中心旋轉(zhuǎn)角速度大小為0.08rad/s，求得護(hù)肩以最大為1.1cm/s的上升速度帶動(dòng)人體站立。
在站立時(shí)，患兒主要受到護(hù)肩、護(hù)帶的支撐力和拉力作用。這樣既可減輕腿部受壓，還可以利用重力對(duì)脊椎有一定的拉伸，起到恢復(fù)治療效果。
3.2輔助行走單元機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
本方案的輔助行走單元主要是通過(guò)不斷模仿人的行走過(guò)程，訓(xùn)練患兒的腿部肌肉，以減輕其痙攣癥狀，并且通過(guò)控制氣馬達(dá)轉(zhuǎn)速與啟閉，使患兒適應(yīng)踏步訓(xùn)練，最后達(dá)到患兒自主行走的目的。
他的主要設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，我們通過(guò)設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)各桿的尺寸來(lái)最大程度上模擬人行走的過(guò)程。(具體結(jié)構(gòu)圖請(qǐng)參考圖3-2)其中AB桿長(zhǎng)130mm,BC桿長(zhǎng)640mm，CD桿長(zhǎng)300mm。我們通過(guò)氣馬達(dá)帶動(dòng)曲柄AB進(jìn)而模擬人行進(jìn)，、連桿上踏板的軌跡如圖中P點(diǎn)的軌跡所示，由圖像我們可以看出其運(yùn)動(dòng)軌跡與正常人的步行軌跡基本相似，輔助行走單元的原理圖如圖3-2所示。
圖3-2 輔助行走單元原理圖
本機(jī)構(gòu)的踏板部位（圖示P點(diǎn)）可通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)在連桿上前后移動(dòng)來(lái)適應(yīng)不同體形的患兒，并且可通過(guò)調(diào)節(jié)球副和調(diào)節(jié)彈簧組成的自平衡機(jī)構(gòu)來(lái)幫助患兒更好的適應(yīng)行走鍛煉，避免強(qiáng)行固定所帶來(lái)的傷害。
設(shè)計(jì)的基本參數(shù)：
1) 每步的行程：160mm
2) 每步的高度差：30~40mm
3) 每分鐘行走步數(shù)：30-50步/分
3.3輔助進(jìn)食單元機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
練習(xí)進(jìn)食單元是通過(guò)兩個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手部搖擺及彎曲功能的運(yùn)動(dòng)單
元。這個(gè)動(dòng)作是模仿吃飯的過(guò)程，簡(jiǎn)單的說(shuō)是實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)兩點(diǎn)之間的移動(dòng)過(guò)程，通過(guò)模擬人的吃飯過(guò)程，進(jìn)而達(dá)到手部移動(dòng)訓(xùn)練的目的。通過(guò)進(jìn)行有針對(duì)性的動(dòng)作訓(xùn)練，增加康復(fù)效率，避免患者對(duì)無(wú)目的性訓(xùn)練的厭惡與麻木，增強(qiáng)患者的自我康復(fù)意識(shí)，從而達(dá)到更佳的康復(fù)效果。
圖3-3 輔助進(jìn)食單元結(jié)構(gòu)原理圖
練習(xí)進(jìn)食單元的原理圖如圖所示，通過(guò)一個(gè)在XOY平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的氣缸帶動(dòng)與之相連的桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手的搖擺過(guò)程。擺臂氣缸伸縮，帶動(dòng)桿AC繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)桿AC限制桿CE在X方向和Y方向上的自由度，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)E與點(diǎn)C之間的同步運(yùn)動(dòng)。通過(guò)一個(gè)在Z軸方向上伸縮的氣缸牽動(dòng)X點(diǎn)繞F點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手的彎曲過(guò)程。在實(shí)現(xiàn)彎曲的這個(gè)過(guò)程中，CE之間的距離會(huì)增加，F(xiàn)N之間也會(huì)變長(zhǎng)，因此在這兩個(gè)地方需要一定的補(bǔ)償功能。我們通過(guò)在桿CE上設(shè)置一個(gè)在Z軸方向上的局部自由度，運(yùn)用大管與小管之間的嵌套，使CE在保持始終垂直于平面XOY的前提下，能在機(jī)構(gòu)所需范圍內(nèi)在Z軸上下伸縮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。在FN之間的補(bǔ)償上，我們將桿3與桿4之間的距離盡量靠近，從而確保FN有一個(gè)盡量小的變化量，再通過(guò)桿3上面的空間轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步補(bǔ)償FN之間的伸縮量，對(duì)于之前兩步?jīng)]法補(bǔ)償?shù)挠嗔浚覀兺ㄟ^(guò)加大N點(diǎn)上滑道的寬度，確保在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)不發(fā)生干涉，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)彎曲過(guò)程。
練習(xí)進(jìn)食單元是一個(gè)較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)單元，它涉及到比較復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，而且有兩個(gè)與患兒緊靠著的動(dòng)力原件，因此在它的安全上，設(shè)計(jì)過(guò)程中我們給予了著重的考慮。首先在過(guò)載保護(hù)上，該部分采用氣壓安全閥進(jìn)行保護(hù)。除氣壓保護(hù)之外該部分還加有機(jī)械鎖死機(jī)構(gòu)作為備用保護(hù)裝置，操作部位設(shè)在腦袋后面，當(dāng)緊急情況下，腦袋稍敲擊靠背，即可直接鎖死主氣源的管道口，進(jìn)而切斷動(dòng)力供應(yīng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)部分全用軟袋包裹，避免患兒誤操作造成的人體損傷。
手的運(yùn)動(dòng)部位能較客觀(guān)地體現(xiàn)器械人性化考慮程度，我們?cè)谠O(shè)計(jì)該部分時(shí)充分考慮兒童的心理，將護(hù)腕做得盡量使患兒搞到舒適，避開(kāi)普通醫(yī)療器械直接將患兒手部固定的嬌姿方式的生硬死板，讓患兒手部自然放置在底部較為寬大的放手部位，然后在上面用軟帶封口，而無(wú)需將其直接作用于患兒手臂，從而給人一種安全自然的感覺(jué)。
3.4危險(xiǎn)零部件的強(qiáng)度校核
在康復(fù)椅的正常工作中，連接頭、連桿、銷(xiāo)釘?shù)仍趧?dòng)力傳動(dòng)中起極為重要的作用。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，零件因載荷過(guò)大，可能產(chǎn)生零件變形，甚至斷裂，影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此對(duì)這些零件的剛度和強(qiáng)度有一定的要求。設(shè)計(jì)后，需要對(duì)其進(jìn)行校核。
3.4.1旋轉(zhuǎn)氣馬達(dá)短軸
1) 剪切強(qiáng)度校核：
剪切應(yīng)力：
圖3.4.1-1 旋轉(zhuǎn)氣馬達(dá)短軸受力分析
剪切面積： （3.1）
軸的工作應(yīng)力： （3.2）
45號(hào)鋼的剪切極限強(qiáng)度，安全系數(shù)選用,則許用應(yīng)力，符合強(qiáng)度條件，所以銷(xiāo)軸的剪切強(qiáng)度是足夠的。
2) 擠壓強(qiáng)度校核：
擠壓應(yīng)力：F=900N
擠壓面的面積： （3.3）
工作擠壓應(yīng)力： （3.4）
由塑性材料許用剪切應(yīng)力，許用擠壓應(yīng)力與許用拉應(yīng)力之間的關(guān)系
； （3.5）
得出所以也滿(mǎn)足擠壓強(qiáng)度條件，
所以銷(xiāo)軸滿(mǎn)足連接的剪切強(qiáng)度與擠壓強(qiáng)度。
3.4.2銷(xiāo)釘?shù)男：?
1）助立單元?dú)飧足q支座連接大銷(xiāo)釘?shù)男：?
輔助站立過(guò)程中氣缸是繞著與之連接的銷(xiāo)釘做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，此處銷(xiāo)釘承受了極大的力，當(dāng)受力過(guò)大時(shí)，可將銷(xiāo)釘剪斷，因此此處應(yīng)進(jìn)行剪切強(qiáng)度的校核。銷(xiāo)釘?shù)牟牧线x用45#調(diào)質(zhì)，其受力情況如圖3.4.3-1。
圖3.4.2-1 大銷(xiāo)釘?shù)氖芰D
由機(jī)械結(jié)構(gòu)知銷(xiāo)在座椅由水平站起時(shí)的受力最大，并且知此時(shí)氣缸推力方向與水平夾角為，由此知銷(xiāo)此時(shí)受力大小為
。 （3.6）
1) 剪切強(qiáng)度校核
受力分析如圖所示
由研究對(duì)象的受力平衡知，大銷(xiāo)釘剪切面的剪力為
（3.7）
剪切面面積為 （3.8）
大銷(xiāo)釘?shù)墓ぷ髑袘?yīng)力為 （3.9）
45號(hào)鋼的剪切極限強(qiáng)度，安全系數(shù)選用,則許用應(yīng)力，符合強(qiáng)度條件，所以大銷(xiāo)釘?shù)募羟袕?qiáng)度是足夠的。
2) 擠壓強(qiáng)度校核
大銷(xiāo)釘?shù)臄D壓面是圓柱面，用通過(guò)圓柱直徑的平面面積作為擠壓面的計(jì)算面積。
擠壓面的擠壓力為
擠壓面的面積為 （3.10）
擠壓應(yīng)力為 （3.11）
由塑性材料許用剪切應(yīng)力，許用擠壓應(yīng)力與許用拉應(yīng)力之間的關(guān)系；。得出所以也滿(mǎn)足擠壓強(qiáng)度條件，所以大銷(xiāo)釘滿(mǎn)足連接的剪切強(qiáng)度與擠壓強(qiáng)度。
3）輔助進(jìn)食單元?dú)飧足q支座連接小銷(xiāo)釘?shù)男：?
圖3.4.2-2 小銷(xiāo)釘受力圖
由于銷(xiāo)釘受力較大，且截面積很小，容易被剪斷，因此材料的強(qiáng)度要求較高，通過(guò)查閱資料選用40Cr調(diào)質(zhì)。銷(xiāo)釘受力情況如圖3.4.3-2 所示，銷(xiāo)釘受到大小相等方向相反的分布力作用。由于液壓缸的最大推力為0.1kN,所以有：
（3.12）
因此剪切強(qiáng)度符合。
3.4.3氣缸1固定腳鏈螺栓的校核
圖3.4.3-1腳鏈?zhǔn)芰D
1）.螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
螺栓組連接結(jié)構(gòu)如圖所示，螺栓數(shù)Z=4，對(duì)稱(chēng)布置；
2）螺栓受力分析
（1）螺栓組受力如圖3.4.3-1所示，在總載荷F的作用下，螺栓組連接承受一下各力和傾覆力矩的作用：
軸向力（F的水平分力，作用于螺栓組中心，水平向左）
（3.13）
橫向力（F的垂直分力，作用于接合面，垂直向下）
（3.14）
傾覆力矩（逆時(shí)針?lè)较颍?
（3.15）
（2）在軸向力的作用下，各螺栓所受額工作拉力為
（3.16）
（3）在傾覆力矩M的作用下，右面兩個(gè)螺栓受到加載作用，左面兩個(gè)螺栓受到減載作用，故右面的螺栓受力較大，所受載荷為
（3.17）
故右面的螺栓所受的軸向工作載荷為
（3.18）
（4）在軸向力的作用下，地板連接接合面不產(chǎn)生滑移的，根據(jù)底板接合不滑移條件
（3.19）
查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得接合面的摩擦系數(shù)，并取，
則，取防滑系數(shù)，
則各螺栓所受的預(yù)緊力為
（3.20）
（5）右面每個(gè)螺栓所受的總拉力
（3.21）
3）螺栓直徑的確定
選擇螺栓材料為Q235、性能等級(jí)為4.6的螺栓，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得材料的屈服極限，安全系數(shù)S=1.5，故螺栓材料的許用應(yīng)力。
則螺栓危險(xiǎn)截面的直徑（螺紋小徑）為
（3.22）
按粗牙普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)（GB/T196-2003），
選用螺紋公稱(chēng)直徑（螺紋小徑）。
4）校核螺紋組連接接合面的工作能力
（1）連接接合面左端的擠壓應(yīng)力不超過(guò)需用值，以防止接合面壓碎。
由
（3.23）
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得
（3.24）
（2）連接接合面右端應(yīng)保持一定的殘余應(yīng)力，以防止托架受力時(shí)結(jié)合面間產(chǎn)生間隙，即，由
（3.25）
故接合面右端受壓最小處不會(huì)產(chǎn)生間隙。
5）校核螺栓所需預(yù)緊力是否合適
對(duì)碳素鋼羅順，要求
已知，，取預(yù)緊力下限即
要求的預(yù)緊力，小于上值，故滿(mǎn)足要求。
3.4.4底座旋轉(zhuǎn)桿螺栓組的校核
圖3.4.4-1 螺栓組受力分析
結(jié)構(gòu)如圖3.4.4-1所示
由幾何關(guān)系知：螺栓只受橫向應(yīng)力（即垂直方向應(yīng)力）
現(xiàn)只校核上面螺栓的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)確定算選螺栓規(guī)格。
1）螺栓組結(jié)構(gòu)
采用如圖所示的結(jié)構(gòu)，螺栓數(shù)Z=2，采用對(duì)稱(chēng)布置。
2)螺栓受力分析
在總載荷的作用下，螺栓組連接件承受的只有橫向應(yīng)力；
橫向應(yīng)力: （3.26）
連接結(jié)合可能產(chǎn)生滑移，由不滑移條件：
（3.27）
查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得結(jié)合免得摩擦系數(shù)，并取
則，取防滑系數(shù)
則各螺栓所需的預(yù)緊力為
（3.28）
上面?zhèn)€螺栓所受的總拉力 （3.29）
3)確定螺栓直徑
選擇螺栓材料為Q235，性能等級(jí)為4.6的螺栓，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得材料的屈服極限，安全系數(shù)S=1.5，故螺栓材料的許用應(yīng)力
則螺栓危險(xiǎn)截面的直徑（螺紋小徑）為
（3.30）
按粗牙普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)（GB/T196-2003），
選用螺紋公稱(chēng)直徑 d=8mm，（螺紋小徑）。
4）校核螺栓所需的預(yù)緊力是否合適
對(duì)碳素鋼螺栓，要求
已知，，取預(yù)緊力下限即
要求的預(yù)緊力，小于上值，故滿(mǎn)足要求。
第四章氣壓缸的設(shè)計(jì)
4.1 動(dòng)力源確定
通過(guò)計(jì)算，整個(gè)系統(tǒng)需要的最大力為0.8KN，對(duì)于人力以及一些普通的輸力工具來(lái)說(shuō)很難提供如此大的力，考慮到治療過(guò)程中的復(fù)雜性以及患兒的安全性，不易于電動(dòng)馬達(dá)這一類(lèi)純剛性的機(jī)械傳動(dòng)，為了能為患者提供更好的安全保障和足夠的動(dòng)力輸出，本項(xiàng)目主要采用氣壓傳動(dòng)，運(yùn)用醫(yī)療上靜音氣泵提供氣源，為各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。氣壓裝置具有以下優(yōu)勢(shì)：
1）氣壓裝置工作平穩(wěn)，以空氣為介質(zhì)，能耗小，傳動(dòng)平穩(wěn)；
2）緩沖性能是其它傳動(dòng)方式無(wú)法比擬的；
3）能夠在運(yùn)行的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速的調(diào)節(jié)；
4）能非常方便、簡(jiǎn)單、可靠地實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)功能；
5）氣壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單。
4.2 氣壓系統(tǒng)圖
1-油霧器 2、9-直動(dòng)式減壓閥 3-分水濾氣器 4、11-壓力表 5-氣罐 6、15、18、19-單向閥 7-電機(jī) 8-定量氣泵 10-二位二通電磁換向閥 12-節(jié)流閥 13-氣馬達(dá) 14、25-二位五通電磁換向閥 16、20、23、24-氣缸 17、21-滑柱式行程閥 22-節(jié)流調(diào)速閥
圖4-1 氣壓系統(tǒng)原理圖
為實(shí)現(xiàn)整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程的所有動(dòng)作，我們采用圖4-1所示的氣壓系統(tǒng)圖，整個(gè)氣壓系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制電磁換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)氣壓缸的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)及氣動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4.3 氣壓系統(tǒng)參數(shù)
根據(jù)需要完成的工作要求，確定氣壓缸的參數(shù)。
氣壓缸行程：400mm
氣壓缸工作壓力：0.5Mpa
氣壓桿最大回程速度：0.1m/s
4.4氣壓系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)計(jì)算
4.4.1氣壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸
我們選定的工作參數(shù)為：工作壓力0.5MPa和最大負(fù)載0.8KN,缸筒及活塞桿選用45#鋼，根據(jù)公式3-1計(jì)算氣壓缸內(nèi)徑。
（4-1）
選回油壓力=0，此時(shí)
（4-2）
考慮到油缸自身摩擦力等因素，缸徑需放大到理論的1.2倍左右，D=17.50mm，查氣壓設(shè)計(jì)手冊(cè)按GB/T2348—1993（mm）選用D=20mm的氣壓缸。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)缸的外徑為29mm。
4.4.2活塞缸的直徑
活塞桿選用的材料是45#鋼:
查氣壓設(shè)計(jì)手冊(cè)按GB/T2348—1993（mm）選用d=15mm。
活塞缸直徑校核：
(4-3)
滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
4.4.3氣壓缸活塞寬度B
，所以，取B=0.7D=12.25mm
4.4.4導(dǎo)向套長(zhǎng)度C
，所以，取C=1.0 d=12.25mm
4.4.5氣壓缸缸筒壁厚
氣壓缸采用的材料為45號(hào)鋼根據(jù)壁厚的計(jì)算公式：可以求得，故取
4.4.6活塞行程
根據(jù)整個(gè)設(shè)備的工作狀況，氣壓缸的行程為376mm,根據(jù)《氣壓設(shè)計(jì)手冊(cè)》活塞行程標(biāo)準(zhǔn)中，選用的行程為400mm。根據(jù)以上計(jì)算最終確定的氣壓缸結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。
圖4-2氣壓缸結(jié)構(gòu)
第五章康復(fù)椅的結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)
5.1結(jié)論
不知不覺(jué)間兩個(gè)多月過(guò)去了，而我也即將畢業(yè)融入社會(huì)。這兩個(gè)月是我提升最高的兩個(gè)月。有人說(shuō)“十年磨一劍，今日試鋒刀”我不禁在想我這把刀是否夠鋒利？因?yàn)樵谧稣麄€(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中我深刻認(rèn)識(shí)到自己的諸多不足。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我看到了自身專(zhuān)業(yè)知識(shí)的匱乏，無(wú)論是理論還是加工工藝自己要學(xué)習(xí)的東西還有很多。更為重要的是我明白了一個(gè)道理，那就是理論和實(shí)際不能脫節(jié)，否則自己的設(shè)計(jì)不會(huì)完美。在以后的學(xué)習(xí)工作中我會(huì)更加注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)掌握。
本文對(duì)腦癱兒童康復(fù)按摩椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的剖析與設(shè)計(jì)。收集現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)現(xiàn)階段腦癱兒童康復(fù)器械的性能、療效、性?xún)r(jià)比等方面進(jìn)行詳細(xì)的了解與分析，設(shè)計(jì)了一臺(tái)具備輔助站立、輔助行走以及輔助進(jìn)食機(jī)構(gòu)的腦癱兒童康復(fù)按摩椅。
我感觸頗深的就是對(duì)自己的現(xiàn)階段所學(xué)的知識(shí)的評(píng)價(jià)。我大學(xué)四年到底學(xué)會(huì)了多少有關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)？在設(shè)計(jì)過(guò)程中我越來(lái)越認(rèn)識(shí)到我越去深究一個(gè)問(wèn)題就發(fā)現(xiàn)自己知識(shí)的蒼白，尤以理論知識(shí)為甚。在老師的指導(dǎo)下學(xué)會(huì)了很多以前沒(méi)學(xué)過(guò)的東西，在了解他們的同時(shí)我也更了解到自己的無(wú)知。有位哲人說(shuō)過(guò)：：“我越學(xué)習(xí)越覺(jué)得自己越無(wú)知”。我想我現(xiàn)在就是這種心境。
通過(guò)近2個(gè)月的努力，以及實(shí)驗(yàn)室同學(xué)的支持及協(xié)助，我們成功設(shè)計(jì)出來(lái)了“腦癱兒四肢醫(yī)療康復(fù)椅”。通過(guò)背景分析和現(xiàn)有產(chǎn)品對(duì)照，我們提出了集輔助站立、行走、進(jìn)食多功能于一體的設(shè)計(jì)方案。對(duì)康復(fù)椅的氣動(dòng)系統(tǒng)，單元模塊規(guī)劃，動(dòng)作執(zhí)行方式，動(dòng)作運(yùn)行軌跡進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行了理論計(jì)算。同時(shí)，應(yīng)用了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和理論，利用設(shè)計(jì)軟件，建立了康復(fù)椅的數(shù)字化設(shè)計(jì)，對(duì)康復(fù)椅各零部件的空間布置進(jìn)行了干涉檢查和優(yōu)化，完成了康復(fù)椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。
最后，設(shè)計(jì)了腦癱兒童康復(fù)按摩椅第一代樣機(jī)，并對(duì)康復(fù)椅的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)證明：該康復(fù)椅具有功能多、性能穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)的突出優(yōu)勢(shì)，并且我團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)第二代康復(fù)椅，主要針對(duì)市殘聯(lián)人士推薦的腦癱兒自愿者，針對(duì)他們的病情和實(shí)際需要，更好的對(duì)本方案進(jìn)行完善，我們相信經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的產(chǎn)品化改進(jìn)設(shè)計(jì)，本產(chǎn)品將具有很好的市場(chǎng)推廣前景。
通過(guò)康復(fù)椅在模擬環(huán)境下的運(yùn)行，總體性能指標(biāo)：
1）康復(fù)椅總重量為10kg，總體尺寸1280x680x1000mm；
2）適應(yīng)兒童歲，體重kg，身高cm；
2）康復(fù)椅的輔助行走機(jī)構(gòu)30-50步/分，輔助站立機(jī)構(gòu)最大推力1000N；
3）各單元可以實(shí)現(xiàn)模塊化的拆卸和組合；
4）通過(guò)48V鉛酸蓄電池的電力供應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能，并且可持續(xù)供
電16小時(shí)。
5.2創(chuàng)新點(diǎn)
我們所研究的腦癱四肢康復(fù)醫(yī)療椅的宗旨是利用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)輔助腦癱患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，盡最大限度改善他們的生活，以減輕家庭和社會(huì)的負(fù)擔(dān)。在作品設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，我們的創(chuàng)新點(diǎn)主要集中在以下幾點(diǎn)：
1) 功能多集成化。我們的產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計(jì)，集輔助站立訓(xùn)練、輔助行
走訓(xùn)練和模擬進(jìn)食訓(xùn)練于一體，可根據(jù)不同的患者采用相應(yīng)的措施。
2) 動(dòng)力穩(wěn)定無(wú)污染。產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)系統(tǒng)，傳動(dòng)穩(wěn)定，安全可靠且無(wú)污
染。
3) 人性化設(shè)計(jì)。采用被動(dòng)訓(xùn)練，訓(xùn)練過(guò)程更人性化，盡量消除對(duì)患兒造成
心理障礙，避開(kāi)普通康復(fù)器械的生硬死板，使患兒有個(gè)良好的治療心理
狀態(tài)。
致謝
首先向我的指導(dǎo)教師張玉峰老師及所有幫助和鼓勵(lì)我的同學(xué)們致謝。沒(méi)有你們的幫助我的設(shè)計(jì)不會(huì)如此順利完成。你們每一次的幫助與鼓勵(lì)對(duì)我來(lái)說(shuō)都是莫大的鼓舞。在我遇到困難的時(shí)候，是你們幫助我啟發(fā)我。沒(méi)有你們，我所遇到的那些難題不會(huì)被輕易解決，更不用說(shuō)從容應(yīng)對(duì)。
以前只做過(guò)課程設(shè)計(jì)，但同這次設(shè)計(jì)相比無(wú)論是對(duì)知識(shí)的運(yùn)用的深度和廣度都是無(wú)法相比的。但課程設(shè)計(jì)教給了我一種設(shè)計(jì)理念，即反復(fù)驗(yàn)證。同樣也適用畢業(yè)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到很多難題，在此感謝張玉峰老師，是他孜孜不倦的為我答疑解惑，憑借他深厚的理論知識(shí)與豐富的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為我的設(shè)計(jì)指明了方向，不斷糾正我我的錯(cuò)誤，解除我的疑惑，這個(gè)設(shè)計(jì)傾注了張老師太多心血。另外，張老師對(duì)我們要求十分嚴(yán)格，不放過(guò)一處細(xì)節(jié)，這種認(rèn)真負(fù)責(zé)的人生觀(guān)值得我們?nèi)W(xué)習(xí)，感謝老師不僅教會(huì)我專(zhuān)業(yè)為知識(shí)更教會(huì)了我如何做人與做事。
我的同學(xué)們，感謝你們一直陪伴著我，陪我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，給予我無(wú)私的幫助與關(guān)懷。這四年中，與你們相識(shí)相知是我今生最美的際遇。大學(xué)的時(shí)光很美好，如今我們就要說(shuō)再見(jiàn)，在此祝愿你們?nèi)松猛疽环L(fēng)順，望珍重萬(wàn)千，盼他日再見(jiàn)。
我把這次設(shè)計(jì)看做是一次旅程，一次對(duì)知識(shí)探索和運(yùn)用的旅程。我認(rèn)為這是一次高強(qiáng)度的體驗(yàn)，因?yàn)楫吘箷r(shí)間有限、自己能力有限。但不管怎樣艱難我走過(guò)來(lái)了，體驗(yàn)到了酸甜苦辣。感謝那些幫助我的人，感謝你們陪我走過(guò)艱辛、踏過(guò)荊棘。沒(méi)有你們，我的步伐不會(huì)如此堅(jiān)定；沒(méi)有你們，我的步伐不會(huì)如此從容；沒(méi)有你們，我不會(huì)如此順利走完這次旅程。
我們也殷切希望我們的產(chǎn)品能為腦癱患兒帶來(lái)真正意義上的幫助，同時(shí)呼吁更多的好心人關(guān)心腦癱兒！是幫助過(guò)我們的老師、同學(xué)們以及我們團(tuán)隊(duì)全體成員的付出造就了我們今天的成績(jī)，更是關(guān)心、關(guān)愛(ài)腦癱兒的好心人給與了我們這個(gè)展示的平臺(tái)。愿世上腦癱兒多一份微笑，愿天下好心人一生平安！
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